可编程数字隔离模块在火炮CAN总线网络中的应用

姜 飞，徐建峰，崔立君，王 琨，卢青山

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)



可编程数字隔离模块在火炮CAN总线网络中的应用

姜 飞，徐建峰，崔立君，王 琨，卢青山

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

CAN通信广泛应用于自行火炮、坦克装甲等车辆武器系统，出于对产品本身安全性的考虑或抗电磁兼容等方面要求，需尽可能控制并减少信号激励源与被测系统之间的相互干扰，基于CPLD技术实现的可编程数字隔离模块能有效阻断CAN检测节点物理层差分电气连接，以保护被测试CAN总线网络。实践应用表明该模块稳定性好、实时性强、可移植度高且外部供电单一，具有广泛的通用性、良好的应用前景和使用价值。

CAN总线隔离；CPLD逻辑控制；CAN总线通信；Verilog程序设计

CAN是控制网络(Control Area Network)的简称，属于串行数据通信总线范畴，由德国BOSCH公司提出，符合ISO 11898标准，CAN通信适用于部件之间进行数据交换，广泛应用于工业离散控制与国防军工领域，具有成本低、可靠性高并易于实现等技术优点[1]，一般情况下出于网络系统本身安全性考虑或抗电磁兼容试验要求，为控制并减少信号激励源与被测对象之间的相互干扰，需要对CAN总线网络测试接口进行差分电平隔离设计[2]。

1 技术原理

1.1 应用背景

常规CAN接口差分电平隔离设计主要有两种途径：

1)采用网关方式，利用单片机等微控制器进行数据链中继以完成CAN总线接口的信号转换，其显著弊端在于微控制器不仅需要具备较高的运算能力，同时还要设计2套相互独立工作的CAN总线软硬件接口，系统复杂、实时性差，且在不同网络之间进行通信时要重新配置通信参数，可移植性差。

2)单纯以物理差分电平值为设计依据，通过适配专用电源供给模块和光电隔离器来实现CAN接口隔离通信，优点在于成本低廉，但缺点也是非常明显，需要用+5、+4、+2.5、+1.5和+3 V等多品种电压源与高精度分压电阻配合，电路结构复杂、器件品质与温控性能要求非常高，抗干扰能力差，电压稍微产生偏离就会造成CAN总线接口隔离通信异常，还会将该故障直接反馈到被测CAN总线网络，很不实用。

考虑到当前这种技术现状，笔者提出了一种基于可编程逻辑控制器的CAN接口差分电平隔离设计方法，可有效克服上述两种方案的缺点，提高CAN接口隔离通信的可靠性与抗干扰能力。另外，基于CPLD所实现的可编程控制逻辑理论上可以由74系列器件搭接组合完成，但缺少精确时隙控制能力，在高负载率情况下不具备全双工通信能力，相对而言灵活性差、集成度也较低,不推荐这种低层次技术替代[3]。

1.2 信号位电平

CAN总线信号电平由CANH与CANL之间电压差Udiff=UCANH-UCANL表示。CAN总线网络具有两种逻辑状态，即显性状态与隐性状态，分别与信号传输过程中显性位和隐性位对应，隐性状态时Udiff近似为0 V，而显性状态时Udiff则一般为2～3 V。若总线上2个不同节点在同一位时间分别强加显性位与隐性位，竞争仲裁结果是总线上呈现显性位，即显性位可以改写隐性位。硬件设计时需要将总线驱动器的RXD与TXD引脚分别引入到CPLD可编程逻辑控制器的IO端口上，使其TTL电平与CAN总线上输出隐性电平保持一致。具体到总线信号电平的对应关系是：当TXD=0时，CAN总线上输出显性电平；当TXD=1时，CAN总线上输出隐性电平[4]。

1.3 位定时与同步

可编程数字隔离模块工作于数据通传方式下，左右网络之间进行数据交换时不对报文进行任何打包与拆包操作处理，也不会将CAN总线数据链路层波特率、帧格式、滤波方式和ID标识符等参数作为设计输入，只以RXD和TXD引脚TTL电平为判定标准，按照CAN通信规范进行数字化编程，无需任何中间转换过程，具有良好的通用性、可移植性与实时性。

CPLD编码过程中必须依据CAN总线逻辑状态进行延时处理，具体数值由物理层电气特性和信号发送方式来决定，涉及到位定时与同步两方面内容。位时间(属于位定时重要指标参数)是指非重同步情况下，总线驱动器发送一个数据位所需的时间，它可分为多个互相不重合的时间段，一般由同步段、传播段、相位缓冲段1和相位缓冲段2等组成，排列方式如图1所示。

一般情况下最小额定位定时与最大速率处于单次采样周期内是一一对应，决定了一段时间内的数据传输量，另外2个与位时间相关联的参考量是传播延迟与采样点位置，前者限定了系统之间2个节点间的最大总线长度，采样点越靠后则播延迟会有更大的容差性，CPLD逻辑控制软件设计延时因子其刻度会更精确，最大位速率计算公式为

vBR_max=fkq/2

式中：k为比例因子系数;q是位定时段;f为振荡器频率。高位速只会出现在系统传播延迟很小的时候，对于网络两端时间延迟最大的节点，必须保证它们能够正确地接收和译码传输信息报文。

CAN总线规范中同步机制克服了节点间累积相位误差影响，可有效地保证报文进行正确译码。同步可分为硬同步与重同步两种，前者在报文帧开始时执行，后者发生在隐性位到显性位的跳变沿时刻。因此同步段需要有跳变沿信号，这是可编程数字隔离模块通信的触发基准，它们都遵守下述规则：在一个时间位内仅允许一种同步；对于跳变沿，仅当它前面的第1个采样点数值与紧跟该跳变沿之后的总线值有差异时，才能将该跳变沿用于同步；在总线空闲期，若出现1个隐性位到显性位跳变沿，则执行1次硬同步；符合前两条规则的隐性位到显性位跳变沿都被用于重同步，但具有正相位误差的隐性位到显性位跳变沿将不会导致重同步。

2 硬件构成

可编程数字隔离模块电路由4片ADM3053集成芯片和EPM7032STI44-7可编程逻辑控制器、MAX813L复位芯片和16 MHz有源晶振、ISP程序下载接口以及若干分离阻容器件等组成，主要集成芯片之间电气连接与信息流传输关系如图2所示。

ADM3053是一款光电耦合隔离式CAN收发器，具有限流和热关断特性，可有效防止输出短路，采用ADI公司iCouple®技术将常规双通道隔离器、CAN总线收发器和DC/DC转换器集成。可片内振荡器输出方波，结合高频开关元件驱动内部变压器产生隔离电源，只需要+5V单电源供电就可以在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个完全隔离的CAN总线接口，可完全替代“6N137光电耦合器+DC/DC转换器+PCA82C250收发器”的传统解决方案，因为集成度高，所以能有效降低PCB布局与布线难度、提升可编程数字隔离模块的稳定性与可靠性。2片ADM3053集成电路可构成1路CAN通信隔离通道，依据Verilog硬件描述语言进程间并发运行的特点，该模块能提供2路相互独立的CAN通信隔离通道,两者间无主次之分，电路结构与元器件的编排左右对称，因此网络数据流输出与输入方向可进行交叉互换处理，容错度极高。

MAX813L复位电路于上电瞬间产生140 ms上升沿脉冲，对EPM7032STI44-7可编程逻辑控制器进行复位操作，以确定CAN总线初始逻辑状态，因为CAN总线要求：总线处于空闲期时，网络节点的缺省方式必须是隐性状态，即TXD引脚为逻辑1，处于高电平状态。MAX813L集成电路也具备按键复位功能，如果隔离输出信号产生非稳定跳变则可进行手动复位操作。

16 MHz有源晶振为时序逻辑提供检测基准，其周期T=62.5 ns是精准延时的最小计数单元，该参数应用于位定时与同步控制逻辑设计。ISP程序下载接口为可编程数字隔离模块提供在线可编程功能。分离阻容器件中的耦合电容用于滤除总线前端的高频干扰；限流电阻则用于保护总线收发器不受过流冲击影响；动态电阻可调节CAN总线差分信号边沿倾斜状态，通过控制速率来降低电磁辐射影响；匹配电阻用于抑制信号电缆在端点的反射。

3 软件设计

可编程数字隔离模块CPLD控制逻辑通过Verilog HDL硬件描述语言来实现，集成编译环境是Quartus II 5.1版本。首先借助于“应用向导”建立工程项目，给出工程所在的设计路径、文件名称与实体名；然后对标准支持库进行声明操作；其次按照外部接口给出引脚信号名称、数据类型及输入/输出方向，通过寄存器变量对标志信号和延时矢量作出说明。软件流程如图3所示。

逻辑代码段编程时在process并行进程中以全局时钟上升沿作为判断基准，利用if语句对复位引脚进行状态检测。若是低电平则对标志信号和延时矢量进行清零操作处理并将TXD引脚置高电平，实现低电平复位功能，否则持续对RXD引脚“显/隐”性状态进行判断；如果RXD引脚低电平且配对通道另一端标志信号量为1状态，则通过赋值操作完成数据通传处理，否则就对标志信号进行置位并精确延时0.25 μs后进入循环等待状态，精确延时很关键，需要在转换效率与响应速度之间取得平衡[5]。

4 性能测试

现场试验过程中使用如下设备和仪器：YOKOGAWA总线分析仪、USBCAN测试盒以及CANStressDR网络干扰仪。USBCAN测试盒作为信号源发生源与隔离输出数据接收装置，分别将2路相互独立的CAN总线通道接入可编程数字隔离模块左右信号端，设置帧间隔时间为0，以最大负载和数据吞吐状态进行转换收发，观察是否存在信息帧丢失现象。YOKOGAWA总线分析仪用于展现CAN数据帧波形、分析上升沿与下降沿斜率，完成位时间和最小发送间隔以及最大负载率等功能性测试。CANStressDR网络干扰仪对输入CAN网络注入拉偏电压，并对采样点位置进行测试干扰，以评估可编程数字隔离模块的整体健壮性。所有试验项检测依据为《SEA J1939-11 Revised OCT1999标准》和《CAN总线网络通信测试规范》，相应测试项、用例情况以及合格性判据如表1所示，相关试验波形如图4所示。

表1 可编程数字隔离模块性能测试结果汇总

表1中位时间t=ΔT/(数据位+填充位)。按照相应CAN总线规范，数据位中每5个连续“1”会自动增加1个填充位，对于不同的信息帧，公式中的分母值会有所不同，所以必须用总线分析仪等检测工具来测试ΔT值并读出信息帧的位脉冲个数，从而得到位时间t=262.25/131=2.001 908 μs，经四舍五入处理取小数点后2位则为2 001.91 ns[6]。

5 结束语

可编程数字隔离模块已成功应用于某型弹炮结合武器系统中继测试终端，通过该可编程数字隔离模块能有效地实现被测试武器系统与外部监测模块之间的物理隔离，阻断外部测试设备对武器系统内部单体的干扰。靶场试验表明该可编程数字隔离模块具有可靠性高、功耗低、成本小、抗干扰能力强等特点，具有广泛的通用性，可进一步向工业应用领域推广。

References)

[1]阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社，2008. YANG Xianhui.Locale bus technique and application[M].Beijing: Tsinghua University Press, 2008.(in Chinese)

[2]李真花.CAN总线轻松入门与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011. LI Zhenhua.Can bus easy accidence and practise[M].Beijing:Beihang University Press,2011. (in Chinese)

[3]王黎明.CAN现场系统的设计与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2008. WANG Liming. Can bus system design and application[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2008. (in Chinese)

[4]王凯.武器装备作战试验[M]. 北京：国防工业出版社，2011. WANG Kai. Weapon system warfare test[M].Beijing: National Defense Indutry Press,2011. (in Chinese)

[5]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2008. XIA Yuwen. Verilog numeric system design tutorial[M].Beijing: Beihang University Press,2008. (in Chinese)

[6]杨莉，赵薇，沈映泉，等.基于网络隔离器的现场作业日报系统[J].计算技术与自动化,2015,16(15):132- 135. YANG Li，ZHAO Wei，SHEN Yingquan，et al. Site operations reporting system based on the network separator[J].Computing Technology and Automation, 2015,16(15):132-135. (in Chinese)

Application of Programmable Digital Segregate Module in Gun’s CAN Network

JIANG Fei, XU Jianfeng, CUI Lijun, WANG Kun, LU Qingshan

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

CAN communications are widely applied in the vehicle weapon system, such as self-propelled artillery, tank and armored vehicle. According to the consideration of security of this product and anti-electromagnetic compatibility requirements and so on, the mutual interference between signal inspiriting source and tested system should be controlled and reduced to the utmost degree. The realization of programmable digital isolation module based on CPLD can effectively block the electrical connection of CAN detection node physical layer difference to protect the network of the tested CAN bus. This practical application indicates the module has a favorable stability property, a strong real-time performance and a single external power supply, which has a wide range of universality, good application prospects and use value.

CAN bus segregate；CPLD logic control；CAN bus communication；Verilog program design

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.010

2015-10-18

姜飞(1978—)，男，高级工程师，硕士，主要从事火炮综合电子技术研究。E-mail：jfxsj@126.com

TJ393

A

1673-6524(2016)04-0043-05